Режими індукційного нагріву деталей машин з рознімним з’єднанням циліндричних поверхонь

Abstract

У дисертаційній роботі вирішено важливу наукову задачу, що полягає у встановлені закономірностей протікання взаємозв’язаних електромагнітних, теплових процесів та температурної деформації у системі індукційного нагріву з’єднання деталей з урахуванням зміни в процесі нагріву контактної теплової провідності і дозволяє визначити на цій основі раціональні параметри режиму, які забезпечують ефективний демонтаж з’єднання та покращують техніко-економічні показники (вагу, розміри, вартість) установок індукційного нагріву. Вперше для систем індукційного нагріву обґрунтовано загальні вимоги до процесу демонтажу з’єднань деталей та умови їх виконання. Отримано залежність для розрахунку необхідної різниці температур між поверхнями втулки і валу при ліквідації натягу посадки та демонтажі з'єднання. Розроблено методику формування одновимірного магнітного поля та запропоновано пристрій для його реалізації. Обґрунтовано доцільність та визначений порядок ідентифікації контактної теплової провідності. Отримані аналітичні залежності для розрахунку значення питомої поверхневої потужності нагріву. Розрахункове значення питомої поверхневої потужності дозволяє здійснювати демонтаж з’єднання в перехідному режимі нагріву, що забезпечує високі показники ефективності технологічної операції. При виборі частоти струму індукційної установки запропоновано виходити з умови обмеження проникнення електромагнітного поля у вал. Розроблено математичну модель для аналізу впливу параметрів електромагнітного поля на характеристики теплового процесу. Розроблено спосіб управління індукційним нагрівом, що полягає в зміні частоти слідування імпульсів струму індуктора. Проведено експериментальні дослідження, що підтверджують достовірність отриманих в роботі наукових результатів.

Сформулирована научная задача исследования, предусматривающая получение неизвестных ранее закономерностей протекания взаимосвязанных процессов в системе нагрева, выявление особенностей этих процессов, что важно для формирования рациональных параметров режима и обеспечения на этой основе высоких технико-экономических показателей индукционных установок. Обоснован перечень требований к процессу демонтажа соединений. Должны обеспечиваться надежность, технологичность и энергоэффективность процесса при ограниченной номинальной мощности источника питания. Выполнение требований достигается формированием одномерного магнитного поля, выбором уровня удельной поверхностной мощности, обеспечивающего реализацию температурных условий демонтажа в переходном режиме нагрева. Предложено устройство обеспечивающее формирование одномерного магнитного поля в процессе экспериментальных исследований его характеристик. Устройство содержит секционированную измерительную обмотку, расположенную на поверхности втулки. Шаг наматывания индуктора определяют исходя из результатов измерений ЭДС измерительной обмотки. Удельную поверхностную мощность, обеспечивающую демонтаж соединения, определяют с учетом необходимой разности температур между поверхностями втулки и вала, идентифицированного значения контактной тепловой проводимости. Разработана математическая модель для расчета параметров электромагнитного поля на поверхности втулки. Их определение составляет основу расчета индуктора и выбора номинальной мощности источника питания. При выборе частоты тока индукционной установки предложено исходить из условия высокой энергетической эффективности процесса нагрева, ограничения проникновения электромагнитного поля в вал, учета стандартных значений выходной частоты источника питания. Исследовано влияние параметров электромагнитного поля на характер развития теплового процесса. Создана математическая модель для анализа нестационарного теплового процесса, отличающаяся от известных моделей тем, что учтено влияние расширения втулки, а также реализована возможность расчета процесса при протекании в индукторе тока импульсной формы. Установлено, что на повышенных частотах необходимое для демонтажа соединения значение разности температур достигается при более высоком уровне температуры внешней поверхности втулки. Увеличение удельной поверхностной мощности приводит к уменьшению длительности цикла нагрева. Характерна нелинейность этой зависимости с существенным ростом длительности в области малых значений мощности. Разработан способ управления процессом нагрева, заключающийся в изменении частоты следования синусоидальных импульсов тока, протекающего в индукторе. Предложен алгоритм изменения частоты во времени, обеспечивающий режим форсированного нагрева. Погрешность расчета важных для практики демонтажа соединений параметров не превышает 5%. Благодаря использованию рациональных параметров режима удалось существенно улучшить технико-экономические показатели индукционной установки (вес, габариты, стоимость).

The thesis is devoted to solve an urgent scientific task to establish the regularities of interconnected electromagnetic, thermal and deformation processes in the system of induction heating of details connections, considering changes in the heating process of a contact thermal conductivity, and determine appropriate heating mode parameters that provide with an efficient dismantling operation and improve technical and economic factors (weight, size, cost) of induction heating systems. At the first time the main requirements for the induction heating process and the conditions of their implementation are substantiated. The dependence for calculating the required temperature difference between the surface of a plug and a shaft while an interference liquidation and connection dismantling is received. The methodology to form an one-dimensional magnetic field is created and a device for its realization is proposed. Expediency and the order of the contact thermal conductivity identification are substantiated. Analytical relations for the value of the specific surface heating power calculation are got. The estimated value of the specific surface power allows to realize dismantling in a transition heating mode that provide with an efficient technological operation. While choosing the current frequency of an induction installation it is proposed to stick to the condition of limitation of electromagnetic field penetration into the shaft. A mathematical model to analyze the influence of electromagnetic field parameters on the characteristics of a thermal process is developed. The way of induction heating operation that is based on a current pulse repetition changing is received. Experimental investigations that confirm the reliability of obtained scientific results are conducted